WHUT數(shù)電課設(shè)_彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)

1、目 錄1 技術(shù)指標(biāo)11.1 技術(shù)要求11.2 初始條件12 設(shè)計(jì)方案及其比較12.1 彩燈循環(huán)控制電路的基本原理12.2 方案一22.2.1 電路原理框圖及原理圖22.2.2 方案一電路原理分析22.2.3 方案二Proteus仿真實(shí)現(xiàn)32.3 方案二42.3.1 電路原理框圖及原理圖42.3.2 方案二電路原理分析42.3.3 方案二Proteus仿真實(shí)現(xiàn)52.4 方案三52.4.1 電路原理框圖及原理圖52.4.2 方案三電路原理分析62.4.3 方案三Proteus仿真實(shí)現(xiàn)72.5 方案比較73 實(shí)現(xiàn)方案83.1 實(shí)現(xiàn)方案元件清單83.2 實(shí)現(xiàn)電路原理分析83.2.1 矩形脈沖產(chǎn)生電路8

2、3.2.2 彩燈循環(huán)控制電路123.2.3選通發(fā)光二級(jí)管及顯示電路153.2.4 實(shí)現(xiàn)方案總電路圖及原理分析153.3 實(shí)現(xiàn)方案面包板布線圖164 調(diào)試過程及結(jié)論184.1 Proteus仿真結(jié)果184.2 面包板線路調(diào)試過程184.3 調(diào)試出現(xiàn)的問題194.4 結(jié)論195 心得體會(huì)206 參考文獻(xiàn)21武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)（二）課程設(shè)計(jì)說明書彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)1 技術(shù)指標(biāo)1.1 技術(shù)要求設(shè)計(jì)一種利用發(fā)光二極管作為彩燈指示,實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管依次點(diǎn)亮形成移動(dòng)的光點(diǎn),并不斷循環(huán)的彩燈循環(huán)控制電路，要求可以實(shí)現(xiàn)彩燈循環(huán)的時(shí)間可以調(diào)節(jié)。1.2 初始條件直流可調(diào)穩(wěn)壓電源一臺(tái)、萬用表一塊、面包板一塊、

3、元器件若干、剪刀、鑷子等必備工具。2 設(shè)計(jì)方案及其比較2.1 彩燈循環(huán)控制電路的基本原理彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)主要思路為：首先產(chǎn)生CP脈沖，輸出送給彩燈循環(huán)控制電路的時(shí)鐘脈沖輸入端，由彩燈循環(huán)控制電路驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)光，采用共陰極或者共陽極連接，彩燈循環(huán)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。CP脈沖產(chǎn)生電路彩燈循環(huán)控制電路彩燈演示電路產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 圖1 彩燈循環(huán)電路的結(jié)構(gòu)框圖其中，第一部分主要可以通過NE555定時(shí)器連接成多諧振蕩器，從而產(chǎn)生CP脈沖，調(diào)節(jié)充放電過程中電流所經(jīng)過電阻可以控制發(fā)光時(shí)間。把電阻阻值調(diào)大，充電時(shí)間常數(shù)變大，周期變長，相應(yīng)的頻率變慢；電阻阻值調(diào)小，充電時(shí)間常數(shù)變小，周期變小，

4、頻率變快。第二部分主要可以通過自然二進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)循環(huán)功能，輸出送給譯碼電路，這樣就可以得到一個(gè)個(gè)的獨(dú)立電平信號(hào)；此外，移位寄存器也可以將高電平或者低電平依次循環(huán)輸出。通過調(diào)節(jié)分頻器，可以得到不同的維持時(shí)間。第三部分的彩燈顯示電路通過發(fā)光二極管共陰極或者共陽極連接來實(shí)現(xiàn)，但需要注意的是為使燈正常被點(diǎn)亮必須控制電流的大小，所以需要接限流電阻來保證彩燈的安全性和可靠性。2.2 方案一2.2.1 電路原理框圖及原理圖圖2為方案一電路的原理框圖。電路由脈沖產(chǎn)生電路，十進(jìn)制計(jì)數(shù)產(chǎn)生集成選通電路，及發(fā)光二級(jí)管顯示電路組成。彩燈顯示電路（LED）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器譯碼電路（CD4017）多諧振蕩器矩形脈沖產(chǎn)生電

5、路。（NE555）圖2 方案一的原理框圖圖3為方案一的電路原理圖。由NE555定時(shí)器,CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器及相應(yīng)顯示元器件組成。圖3 方案一的電路原理圖2.2.2 方案一電路原理分析將NE555定時(shí)器連接成多諧振蕩器，用來產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)，矩形脈沖信號(hào)作為CD4017計(jì)數(shù)器的輸入脈沖，從而觸發(fā)計(jì)數(shù)器工作。CD4017芯片為十進(jìn)制數(shù)譯碼器，可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和譯碼功能，其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器和譯碼器兩部分組成，經(jīng)過計(jì)數(shù)譯碼后實(shí)現(xiàn)了在連續(xù)脈沖的觸發(fā)下，輸出端從Q0到Q9端依次輸出與脈沖同步的高電平的功能。輸出端與共陰極的發(fā)光二極管相連，可達(dá)到依次點(diǎn)亮的循環(huán)的效果。CD4071芯片的CLK端為脈沖輸入端，E為使

6、能低有效。MR為清零端，高電平清零。CD4071有Q0到Q9十個(gè)輸出端，當(dāng)有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，Q0到Q9循環(huán)輸出高電平。為了使三個(gè)設(shè)計(jì)方案相一致，將Q8端與MR端相連，當(dāng)?shù)诰艂€(gè)脈沖輸入時(shí)，Q8輸出低電平變?yōu)楦唠娖?，MR端輸入高電平，各輸出端清零，在接下來的脈沖到來時(shí)，重新開始從Q0到Q7循環(huán)輸出高電平脈沖信號(hào)。將CD4017的8個(gè)輸出端分別與發(fā)光二極管的陽極連接，八盞燈共陰極連接，陰極通過一個(gè)限流電阻到公共地，燈被循環(huán)點(diǎn)亮。發(fā)光的時(shí)間調(diào)節(jié)是通過滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)的，為滑動(dòng)變阻器接入的電阻，多諧振蕩器電路產(chǎn)生脈沖循環(huán)的時(shí)間由電容的充放電時(shí)間決定，利用三要素法知周期為： (1)頻率為： (2)發(fā)光二極管

7、的發(fā)光時(shí)間即為T，改變滑動(dòng)編組器接入的電阻值就可以改變脈沖頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彩燈循環(huán)的時(shí)間的調(diào)節(jié)。為退耦合電容，用來消除工作過程匯總由于輸出信號(hào)突變引起的干擾，提高電路的穩(wěn)定性。為過電流保護(hù)電阻。2.2.3 方案二Proteus仿真實(shí)現(xiàn)用Proteus電子輔助設(shè)計(jì)軟件繪制實(shí)現(xiàn)電路原理圖并進(jìn)行仿真調(diào)試。圖4為方案一仿真結(jié)果圖。圖4 方案一仿真圖從圖中，可以準(zhǔn)確的觀察出電流的流動(dòng)方向，電路工作過程中，每次只有一個(gè)彩燈被點(diǎn)亮，并且其余的電流方向均是由公共地經(jīng)限流電阻R2流向CD4017芯片，只有一條支路是從芯片流向公共地端，根據(jù)發(fā)光二級(jí)管的單向?qū)щ娦?，每次只有一個(gè)燈被點(diǎn)亮。2.3 方案二2.3.1 電路

8、原理框圖及原理圖圖5為方案一電路的原理框圖。電路由脈沖產(chǎn)生電路，八進(jìn)制序列脈沖發(fā)生器，選通發(fā)光二級(jí)管電路及顯示電路組成。多諧振蕩器矩形脈沖產(chǎn)生電路。（NE555）計(jì)數(shù)器控制彩燈循環(huán)電路（74LS161）選通發(fā)光二級(jí)管電路（74LS138）彩燈顯示顯示電路（LED）圖5 方案二的原理框圖圖6為方案一的電路原理圖。由NE555定時(shí)器,74LS161計(jì)數(shù)器，74LS138譯碼器及相應(yīng)元器件組成。圖6 方案二的電路原理圖2.3.2 方案二電路原理分析方案二的矩形脈沖產(chǎn)生電路及發(fā)光時(shí)間的調(diào)節(jié)原理同方案一。CD4017芯片為十進(jìn)制計(jì)數(shù)譯碼器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和譯碼的功能，因此可用74LS161計(jì)數(shù)器和74L

9、S138譯碼器來代替CD4017芯片的這兩個(gè)功能。矩形脈沖信號(hào)作為74LS161計(jì)數(shù)器的輸入脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器工作，將計(jì)數(shù)器的Q3端通過一個(gè)非門與清零端MR相連構(gòu)成八進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的低三位輸出端與74 LS138譯碼器的低三位輸入端連接，則計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的000到111的八進(jìn)制序列經(jīng)譯碼器譯碼輸出，譯碼器的輸出端循環(huán)輸出低電平。將發(fā)光二級(jí)管陰極連接在8個(gè)輸出端，發(fā)光二極管采用共陽極連接，陽極接在一起經(jīng)過限流電阻后與電源相連，則每次一個(gè)彩燈被點(diǎn)亮，計(jì)數(shù)器循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)了八盞彩燈的循環(huán)點(diǎn)亮。彩燈控制循環(huán)的時(shí)間調(diào)節(jié)仍然是通過改變接入的電阻阻值，通過觀察公式知，接入的阻值越大，彩燈對應(yīng)的被點(diǎn)亮的周期越長，

10、頻率越小。2.3.3 方案二Proteus仿真實(shí)現(xiàn) 用Proteus電子輔助設(shè)計(jì)軟件繪制實(shí)現(xiàn)電路原理圖并進(jìn)行仿真調(diào)試。圖7為其仿真結(jié)果圖。圖7 方案二仿真圖仿真結(jié)果與方案一的結(jié)果基本一致，只是彩燈的連接方式不同，導(dǎo)致了電流的流向恰好相反，只有一條支路為公共地流向LED發(fā)光二極管，其余的電流為74LS138譯碼器流向公共地端。芯片工作過程中，首先滿足芯片能正常工作，即第一步是連接芯片的電源端和公共地端，否則，芯片不工作。在不了解芯片所有引腳功能的情況下，最好都讓引腳滿足不工作，即使能無效。2.4 方案三2.4.1 電路原理框圖及原理圖圖8為方案三的電路原理框圖，其由脈沖產(chǎn)生電路，N進(jìn)制控制電路，

11、選通及顯示電路組成。多諧振蕩器矩形脈沖產(chǎn)生電路。（NE555）N進(jìn)制彩燈控制電路（74LS161）選通發(fā)光二級(jí)管電路（74LS199）彩燈顯示電路（LED）圖8 方案三的原理框圖圖9為方案三的電路原理圖，電路主要由NE555定時(shí)器，74LS161計(jì)數(shù)器與74LS199移位寄存器組成。圖9 方案三的電路原理圖2.4.2 方案三電路原理分析方案三中，由多諧振蕩電路產(chǎn)生的脈沖周期 (3)作為下一級(jí)的脈沖輸入。74LS161計(jì)數(shù)器可以將脈沖進(jìn)行N分頻（N16），即N進(jìn)制。通過計(jì)數(shù)器的RCO進(jìn)位輸出端輸出的分頻后的脈沖與下一級(jí)的移位寄存器的脈沖輸入，用來觸發(fā)移位寄存器工作，每產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位，就對寄存器觸發(fā)

12、一次，移位寄存器相應(yīng)的所有數(shù)據(jù)向右平移一位。每盞燈的發(fā)光時(shí)間為，發(fā)光的時(shí)間調(diào)節(jié)通過計(jì)數(shù)器的進(jìn)制數(shù)來實(shí)現(xiàn)（改變N），單刀雙擲開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW4可以改變D0、D1、D2、D3的置數(shù)狀態(tài)。比如：將D3D2D1D0置為1001，在脈沖觸發(fā)下計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)，RCO端在Q3到Q0為1111的時(shí)候輸出一個(gè)高電平脈沖。經(jīng)過非門后使計(jì)數(shù)器重新置數(shù)。實(shí)現(xiàn)了Q3到Q0循環(huán)輸出為1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111的電平信號(hào)（7進(jìn)制循環(huán)計(jì)數(shù)）。每七個(gè)脈沖RCO端輸出一個(gè)高電平脈沖作為移位寄存器74199的觸發(fā)信號(hào)。移位寄存器工作的提前是，寄存器已經(jīng)被預(yù)置數(shù)，為了區(qū)分唯

13、一的一個(gè)信號(hào)，作為工作的參考信號(hào)，使Q7到Q0初始狀態(tài)為10000000。電路中永遠(yuǎn)只含有唯一的一個(gè)高電平，通過SW5控制是寄存器是置數(shù)還是右移，由于Q7初始為高電平，所以該寄存器將高電平依次從Q7-Q0-Q7的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)光二極管的選通。發(fā)光二極管使用共陰極連接，每盞燈的發(fā)光時(shí)間為7T。為了使電路中不出現(xiàn)高阻態(tài)，使用上拉電阻，將輸出端的輸出狀態(tài)確定。2.4.3 方案三Proteus仿真實(shí)現(xiàn)用Proteus電子輔助設(shè)計(jì)軟件繪制實(shí)現(xiàn)電路原理圖并進(jìn)行仿真調(diào)試。圖10為其仿真結(jié)果圖。圖10 方案三仿真圖2.5 方案比較方案一優(yōu)點(diǎn)為使用的芯片數(shù)量少，利用了CD4017本身的計(jì)數(shù)及譯碼功能，實(shí)現(xiàn)起來比

14、較簡單。如果需要連接更加多的彩燈，則需要采用級(jí)聯(lián)的方式，將CD4017的進(jìn)位輸出端與下一級(jí)的脈沖信號(hào)輸入端進(jìn)行級(jí)聯(lián)，每十個(gè)CP脈沖信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)上升沿進(jìn)位脈沖。缺點(diǎn)為芯片本身就是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，只能利用強(qiáng)制清零來實(shí)現(xiàn)其他個(gè)數(shù)的實(shí)現(xiàn)。方案二是在方案一的基礎(chǔ)上，將CD4017芯片的功能用74LS161計(jì)數(shù)器及74LS138譯碼器來取代，芯片比方案一要多，但是由于74LS161是可以實(shí)現(xiàn)十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)，采用強(qiáng)制清零或者強(qiáng)制置數(shù)法，可以實(shí)現(xiàn)其他進(jìn)制，并且實(shí)現(xiàn)起來較方便。采用級(jí)聯(lián)的方式可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)彩燈的循環(huán)。方案三主要利用了74LS161來實(shí)現(xiàn)分頻，從而達(dá)到控制二極管被點(diǎn)亮的時(shí)間，充分利用了移位寄存器的

15、功能，將高電平依次移位輸出，送給彩燈顯示電路。同樣可以利用級(jí)聯(lián)的方法將分頻寬度調(diào)大。因?yàn)樵诓僮鬟^程中需要利用置數(shù)/右移端，需要我們把握時(shí)，首先預(yù)置數(shù)，再進(jìn)行移位，實(shí)現(xiàn)起來可能會(huì)困難一點(diǎn)。經(jīng)對比，且考慮到現(xiàn)有芯片的基礎(chǔ)上選擇方案一。3 實(shí)現(xiàn)方案3.1 實(shí)現(xiàn)方案元件清單本次課程設(shè)計(jì)所用器件如表1所示：表1 本次課程所用原件名稱型號(hào)數(shù)目集成電路CD40171集成電路NE5551電阻1.52電阻3001瓷片電容1041電解電容11滑動(dòng)變阻器1001滑動(dòng)變阻器501發(fā)光二極管LED103.2 實(shí)現(xiàn)電路原理分析3.2.1 矩形脈沖產(chǎn)生電路 所用芯片為NE555定時(shí)器。NE555定時(shí)器是多用途的數(shù)字模擬混合

16、集成電路，利用它能極方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，使用靈活，方便。NE555定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V工作。輸出驅(qū)動(dòng)電流約為200mA。圖11為NE555芯片的管腳圖。圖11 NE555芯片管腳圖 管腳介紹：圖10中1腳是接地端；2腳是低電平觸發(fā)端入端；3腳是輸出端；4腳是復(fù)位端；5腳是電壓控制端；6腳是高電平觸發(fā)端入端；7腳是放電端；8腳是電源端。圖12為NE555芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖12 NE555芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成部分：1) 基本RS觸發(fā)器：由兩個(gè)“與非”門組成2) 比較器：C1、C2是兩個(gè)電壓比較器3) 分壓器：阻值均為5千歐的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器

17、，為比較器C1和C2提供參考電壓。4) 晶體管開關(guān)和輸出緩沖器：晶體管T構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器G3，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對定時(shí)器的影響。 基本功能為：1) 當(dāng)時(shí)，輸出電壓為低電平，T飽和導(dǎo)通。2) 當(dāng)、時(shí)，C1輸出低電平，C2輸出高電平，Q0，T飽和導(dǎo)通。3) 當(dāng)、時(shí)，C1、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此、T也保持原來狀態(tài)不變。4) 當(dāng)、時(shí)，C1輸出高電平，C2輸出低電平，Q1，T截止。NE555集成電路的邏輯功能表如表2所示。表2 NE555集成電路的邏輯功能表輸入組合信號(hào)輸出組合信號(hào)（6端輸入信號(hào)）（2端輸入

18、信號(hào)）（輸出電壓）T的狀態(tài)0低電平導(dǎo)通1不變不變1高電平（不定）截止1高電平截止1低電平導(dǎo)通多諧振蕩器一旦起振之后，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，它們做交替變化，輸出連續(xù)的矩形脈沖信號(hào)，因此它又稱作無穩(wěn)態(tài)電路，常用來做脈沖信號(hào)源。NE555芯片1與8端接電源，當(dāng)電路與電源接通瞬間C2兩端沒有儲(chǔ)存電荷，兩端的電壓為0。555定時(shí)器的2、6端輸入電壓為0，即出現(xiàn)上述表格中的第四種情況，集成運(yùn)算放大器的輸出為高電平，輸出為低電平，基本RS觸發(fā)器置1工作狀態(tài)，輸出電壓為高電平，使晶體管截止，經(jīng)R1，給電容C2充電。圖13為矩形脈沖產(chǎn)生電路原理圖，由NE555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路。圖13 矩形脈沖產(chǎn)生

19、電路原理圖這一情況維持到C2兩端的電壓略超過。此時(shí)為上述表格中的第五種情況，集成運(yùn)放輸出為低電平，輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器清零工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平，使晶體管導(dǎo)通，電容經(jīng)C2經(jīng)過R1、晶體管讓電容放電。這一情況一直維持到C2兩端的電壓略低于。此后重復(fù)上述過程。如此周而復(fù)始，形成震蕩，產(chǎn)生矩形脈沖波輸出。電路的工作波形如圖14所示。圖14 矩形脈沖電路工作波形 振蕩頻率的估算：1) 電容充電時(shí)間 電容充電時(shí)，時(shí)間常數(shù)，起始值，終了值，將轉(zhuǎn)換值帶入RC過渡過程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。 (4)2) 電容放電時(shí)間 電容放電時(shí)，時(shí)間常數(shù)，起始值，終了值， 轉(zhuǎn)換值，帶入RC過渡過程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算： (

20、5)3) 電路振蕩周期T (6)4) 電路振蕩頻率f (7) 5) 輸出波形占空比q 定義：q=T1/T，即脈沖寬度與脈沖周期之比，稱為占空比。 (8)3.2.2 彩燈循環(huán)控制電路所用芯片為CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。CD4017 是十位Johnson 計(jì)數(shù)器，具有10 個(gè)譯碼輸出端，CP、CR、INH 輸入端。時(shí)鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無限制。INH 為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)；反之，計(jì)數(shù)功能無效。CR 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。Johnson 計(jì)數(shù)器，提供了快速操作、2 輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計(jì)數(shù)順序。譯碼輸出一

21、般為低電平，只有在對應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10 個(gè)時(shí)鐘輸入周期CO 信號(hào)完成一次進(jìn)位，并用作多級(jí)計(jì)數(shù)鏈的下級(jí)脈動(dòng)時(shí)鐘。管腳圖如圖15所示。工作原理：CD4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器，它的內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是Q0、Q1、Q2、Q9依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。 圖15 CD4017管腳圖 CD4017有10個(gè)輸出端（Q0Q9）和1個(gè)進(jìn)位輸出端CO。每輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，CO就可得到1個(gè)進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。圖16為CD4017內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖16 CD4017內(nèi)部結(jié)構(gòu)CD4017有3個(gè)輸（MR

22、、CLK和E），MR為清零端，當(dāng)在MR端上加高電平或正脈沖時(shí)其輸出Q0為高電平，其余輸出端（Q1Q9）均為低電平。CLK為時(shí)鐘輸入端，上升沿觸發(fā)，用來計(jì)數(shù)；設(shè)置時(shí)鐘輸入端，級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。 由此可見，當(dāng)CD4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，將LED發(fā)光二極管共陰極連接，每一個(gè)高電平輸出，對應(yīng)一個(gè)LED彩燈被點(diǎn)亮，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。表3為CD4017功能表。表3 CD4017功能表輸入輸出CPINHCRCOH計(jì)數(shù)脈沖為時(shí)，CO=HLL計(jì)數(shù)HLLL保持計(jì)數(shù)脈沖為時(shí)，CO=LHLLL若想驅(qū)動(dòng)少于10個(gè)的LED發(fā)光二極管，可采用強(qiáng)制清零法來實(shí)現(xiàn)

23、，將需要的發(fā)光二極管個(gè)數(shù)對應(yīng)的輸出端接到MR，時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。在連接這個(gè)電路過程中，有一個(gè)比較關(guān)鍵的成功因素就是要弄清楚電路為電平敏感還是上升沿敏感。若是上升沿敏感的電路，則清零信號(hào)能夠保持，作為有效的輸出信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED發(fā)光二極管。此時(shí)電路輸出雖然送給清零端，但一定要等下一個(gè)脈沖到來時(shí)，清零信號(hào)才能有效工作；而電平敏感的清零信號(hào)只要清零信號(hào)到來，電路就被強(qiáng)制清零，清零信號(hào)不能保持。CD4017的構(gòu)成十進(jìn)制的輸出波形如圖17所示。圖17 CD4017輸出波形圖3.2.3選通發(fā)光二級(jí)管及顯示電路通過CD4017自身完成十進(jìn)制的計(jì)數(shù)方式，同時(shí)譯碼輸出，直接在輸出端接

24、上LED彩燈。圖18為選通發(fā)光二極管及顯示電路，彩燈控制循環(huán)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。圖18 選通發(fā)光二級(jí)管及顯示電路將十個(gè)LED燈以共陰極連接方式連接在的接口上。電路工作時(shí)，經(jīng)CD4017譯碼選通后發(fā)光二極管D1D10循環(huán)閃亮。R3為過流保護(hù)電阻，防止電流過大燒壞二極管。3.2.4 實(shí)現(xiàn)方案總電路圖及原理分析下圖19為實(shí)現(xiàn)方案電路原理圖。實(shí)現(xiàn)方案以方案一為原型加以調(diào)整，由于原圖的電阻不能滿足需求，所以在實(shí)現(xiàn)上增加了一個(gè)定值電阻。此外，在設(shè)計(jì)過程中用強(qiáng)制清零法，將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)化成八進(jìn)制，而實(shí)現(xiàn)時(shí)，恢復(fù)十進(jìn)制功能。圖19 實(shí)現(xiàn)方案的總電路原理圖實(shí)現(xiàn)方案電路由矩形脈沖產(chǎn)生電路，十進(jìn)制自然二進(jìn)制計(jì)數(shù)器譯碼輸出構(gòu)

25、成彩燈控制循環(huán)部分來選通發(fā)光二級(jí)管及顯示電路三部分組成。接通電源后，由NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，產(chǎn)生了矩形脈沖信號(hào)，矩形脈沖信號(hào)從NE555定時(shí)器的3腳輸出。輸入到CD4017計(jì)數(shù)器的脈沖端，每個(gè)脈沖上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)一次，譯碼器將二進(jìn)制序列轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，并從相應(yīng)輸出端輸出高電平信號(hào)。LED燈采用共陰極接法，各個(gè)陰極連接在譯碼器10個(gè)輸出端口，譯碼器輸出端循環(huán)輸出高電平信號(hào)，十個(gè)LED燈被循環(huán)點(diǎn)亮。實(shí)現(xiàn)彩燈循環(huán)被點(diǎn)亮的效果。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，可以觀察到彩燈被點(diǎn)亮的時(shí)間不一樣，達(dá)到改變時(shí)間的目的。3.3 實(shí)現(xiàn)方案面包板布線圖首先通過一個(gè)面包板布局軟件仿真一下面包板的布局，能夠較合

26、理的將面包板的布線圖規(guī)劃清晰，并且能夠驗(yàn)證各管腳的通斷。在接線不合理的情況下，能夠方便的采用其他方案，避免了實(shí)物連線不必要的拆線，拆芯片等復(fù)雜工作，并且可以防止芯片被損壞，以及導(dǎo)線的浪費(fèi)。圖20為軟件仿真的NE555脈沖產(chǎn)生電路面包板繪制圖。圖20 NE555面包板繪制仿真圖圖21為彩燈循環(huán)控制電路及顯示電路的面包板仿真。圖21 彩燈循環(huán)控制電路及顯示電路面包板連接仿真通過仿真，能夠讓實(shí)物連接比較方便快捷。圖22為最終的實(shí)現(xiàn)方案面包板布線圖。圖22 實(shí)現(xiàn)方案面包板布線圖4 調(diào)試過程及結(jié)論 4.1 Proteus仿真結(jié)果用Proteus電子輔助設(shè)計(jì)軟件繪制實(shí)現(xiàn)電路原理圖并進(jìn)行仿真調(diào)試。圖23為其

27、仿真結(jié)果圖。圖23 Proteus軟件仿真圖仿真現(xiàn)象：按下仿真鍵后，電路正常工作，D1D10循環(huán)閃亮，改變滑動(dòng)變阻器的阻值，彩燈被點(diǎn)亮的時(shí)間改變，實(shí)現(xiàn)彩燈循環(huán)控制。4.2 面包板線路調(diào)試過程小組各成員一起合作，按照實(shí)現(xiàn)電路原理圖及面包板仿真的連接設(shè)計(jì)方案，在面包板上布線。由于電路中LED發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)較多，將所有的與二極管相連的管腳必須用導(dǎo)線引出來，使電路接線很困難，且技術(shù)要求LED發(fā)光二極管最好排成流水形式，給電路連接帶來很大的不便。但由于小組在連線之前繪制了仿真模擬圖，最終能夠在不交叉不跳線的基礎(chǔ)上將電路連接成功。調(diào)試工程中，將面包板電路的電源端引出一根導(dǎo)線連接直流穩(wěn)壓電源的正極，將面包

28、板電路的公共地端連接直流穩(wěn)壓源的負(fù)極。輸入電壓調(diào)為5.0V，使電路工作，雖然調(diào)試過程不是一次就成功，但經(jīng)過耐心檢查電路，最終排除所有的錯(cuò)誤，流水似的彩燈被循環(huán)點(diǎn)亮，且每次只有一個(gè)亮。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)變阻器的旋鈕，彩燈順序被點(diǎn)亮的時(shí)間改變。圖24為面包板線路調(diào)試過程圖。圖24 面包板線路調(diào)試過程圖4.3 調(diào)試出現(xiàn)的問題 NE555的工作電壓為4.5V16V，調(diào)試選用的輸入電壓為5.0V，調(diào)試成功了。整個(gè)過程卻遇到很多問題。由于線路較多，我們最開始沒有將所有的電源端引到同一根電源線上，造成不正常工作。我們在檢測燈為什么不亮的時(shí)候，首先用萬用表檢察了一下電路通斷，在電路導(dǎo)通的情況下，我們就想檢測LED

29、彩燈的好壞，直接將電源正負(fù)極與彩燈正負(fù)極連接，沒有保護(hù)電阻，彩燈被燒壞，告誡我們以后一定在了解元件工作參數(shù)的前提下再想解決辦法。在仿真的時(shí)候，CD4017芯片沒有把電源和地畫出來，所以我們在連線的時(shí)候也沒有注意到這一點(diǎn)，結(jié)果彩燈一直沒亮，意識(shí)到這一點(diǎn)后，電路已經(jīng)基本被排滿，我們不得不重新布局電路。告誡我們內(nèi)心一定有一些基本常識(shí)，芯片工作一定要首先連接地線和電源線?；旧洗蟛糠譄舳急稽c(diǎn)亮了，但還剩下一個(gè)燈遲遲未亮，于是我們首先檢查與該燈連接的輸出端口有沒有電壓，發(fā)現(xiàn)，芯片的引腳有電壓跳動(dòng)，且導(dǎo)線也導(dǎo)通了，于是判斷是引腳與面包板接觸不良，原來是因?yàn)樵诎惭b芯片的時(shí)候沒有用鑷子，造成引腳彎了，告誡我們

30、以后在取放元件的時(shí)候盡量用工具。4.4 結(jié)論實(shí)現(xiàn)電路經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求，顯示電路有保護(hù)電阻實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。所選芯片為常用芯片，級(jí)聯(lián)使用方便，無多余元件，調(diào)試時(shí)選取合理電壓即可實(shí)現(xiàn)彩燈循環(huán)控制的目的。實(shí)驗(yàn)成功。5 心得體會(huì)為期一周的數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束了。這次的數(shù)電課設(shè)是我們第二次做電路方面的課程設(shè)計(jì)，因?yàn)橐呀?jīng)有了上學(xué)期模電課設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，這次課設(shè)進(jìn)行的更加順利。課設(shè)的經(jīng)歷讓我收獲很多，也很開心。我們小組的課題是“彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)”，因?yàn)檫@個(gè)電路很有實(shí)用價(jià)值，在我們的生活中經(jīng)常見到各種彩燈依次被點(diǎn)亮的情景，所以我對這次的課設(shè)很感興趣。課題的實(shí)現(xiàn)原理較簡單，在設(shè)計(jì)方案時(shí)，我首先上網(wǎng)查找

31、了CD4017的芯片資料，發(fā)現(xiàn)這個(gè)芯片很神奇，可以直接構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)，并且直接譯碼輸出，最開始看實(shí)驗(yàn)要求的時(shí)候就想到用計(jì)數(shù)器與譯碼器結(jié)合，現(xiàn)在CD4017直接就代替了這兩塊芯片，頓時(shí)覺得天空明朗了。一邊翻閱數(shù)電課本，一邊思考還有哪些方案可行，于是想到了移位寄存器，通過計(jì)數(shù)器給移位寄存器輸送脈沖，計(jì)數(shù)器在時(shí)序電路中應(yīng)用的很廣泛，它不僅可以用于對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，還可用于分頻，定時(shí)，產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其他時(shí)序信號(hào)?？墒请娐愤B線太復(fù)雜，元件多所以舍棄。雖然原理簡單，但這次課設(shè)中用面包板連接電路圖比較麻煩，因?yàn)槊姘遢^小且十個(gè)LED彩燈需要美觀排列，給連線造成困難。芯片需要將十個(gè)管腳依次引出來與LED彩燈連接，還要考慮底線和電源線，以及脈沖輸入端，但面包板只有5排，我和另一位組員劉廣騰思考了很久，也嘗試了多種